质子交换膜燃料电池系统运行性能仿真研究

随着环境污染的日益严重,氢能作为一种清洁能源而备受各国重视。作为氢能技术载体之一的质子交换膜燃料电池技术以其高效率、零污染排放、低噪音等优点成为燃料电池领域中最受重视的一个分支。为了给质子交换膜燃料电池运行系统的设计及优化提供依据,对运行系统进行数学建模和系统仿真是十分必要的。本文首先以燃料电池电堆为研究对象,基于Matlab/Simulink软件,利用日趋成熟经验方程建立了电堆稳态集总参数模型,进一步分析了电堆运行时外部的操作参数等对电堆输出性能的影响。在稳态集总参数模型的基础上,考虑双电层电容效应对电池响应特性的影响,建立电堆动态集总参数模型。在电堆操作参数不变的情况下对动态模型进行了仿真研究,通过使电堆负载电流的发生阶跃变化来研究电堆输出性能的响应特性。在动态集总参数模型的基础上,加入热管理模块,分析不同负载电流情况下电堆温度的变化情况。然后以运行系统中的加湿器、气水分离器以及喷射器为研究对象,基于Matlab/Simulink软件,利用经验方程建立动态集总参数模型。首先,建立加湿器的传热传质模型,分析进气温度、冷却水温度等操作参数以及加湿器中纤维管长度、内径等结构参数对加湿器加湿性能的影响。其次,对采用圆筒形结构气水分离器建立MM模型,进一步分析了气水分离器结构参数对气水分离器分离效率影响。最后建立采用渐缩喷嘴的亚声速喷射器的动态集总参数模型,分析喷嘴直径、混合室直径等参数对喷射器性能的影响。以上述电堆模型与辅件模型为基础,建立燃料电池运行系统,分析操作参数及结构参数对系统输出性能的影响。为了模拟燃料电池系统稳定的发电过程,在系统中加入增量PID控制器来控制系统的输出电压,同时分析了负载电流阶跃性变化时,系统输出参数的变化情况。除此之外,为了方便调整系统参数进行仿真,本文利用Matlab/GUI组件编写了易于操作的交互界面,可以直接通过界面进行不同运行参数的输入然后通过程序调用Simulink进行燃料电池性能仿真。